冬季施工，要了解些热力学

（建筑材料工业技术情报研究所，北京 100024）

前段时间，我在雄安新区讲了一天的冬季施工，在讲了基本的冬施知识后，重点强调一定要多了解些热力学知识，这也经常不被大家重视，很多时候在跟着感觉走，规范怎么要求就怎么干，没重点要求的就一带而过。其实我们做混凝土，无论春夏秋冬，不外乎在做两件事：温度的控制和湿度的控制，自然，冬季施工中更要强调温控。

先了解下浇筑完的混凝土，在环境之中存在哪些热量的交换。

从图 1 可以看到，构件的唯一热源是内部产生的水化热，如果浇筑或拆模后不做任何处理，混凝土直接暴露于环境之中，因混凝土本身温度高于环境，通过对流与传导散热（辐射在这里占比很少），不可避免地会造成温度下降，水化缓慢，水化热不再产生，直至受冻致使强度大损。为了避免这种情况，工地一定会采取保温措施，如图 2。

图1 混凝土构件与周围环境的热交换

图2 现场墩柱的保温蓄热养护

冬季养护首先要避免导热造成的热损失，模板的保温效果一定要好，也就是导热系数要低，单靠模板不足以保温时，外面还会增加保温材料。导热系数是指在稳定传热条件下，1m 厚的材料，两侧表面的温差为 1 度（K，℃），在一定时间内，通过 1 平方米面积传递的热量，单位为瓦/米·度（W/(m·K)，此处为 K 可用 ℃ 代替）。表 1 给出了相关材料的导热系数，通常把导热系数较低的材料称为保温材料（我国国家标准规定，凡平均温度不高于 350℃ 时导热系数不大于 0.12W/(m·K) 的材料称为保温材料），而把导热系数在 0.05 W/(m·K)以下的材料称为高效保温材料。

表1 不同材料导热系数 W/(m·K)

根据热力学，稳态下热传导傅力叶方程式如下：

其中：Q——散热量，W；

λ——导热率，W/(m·K)；

A——散热面积，m2；

△X——热量传递距离，m；

△T——内外两侧温度差，K；

R——热阻值。

图3 热传导示意图

将上面两个公式合并，可以得到 R=△X/λ。因为 λ值是不变的，可以看得出热阻 R 值与材料厚度 △X 是成正比的，也就说材料越厚，热阻越大。

所以模板最理想的选择是热阻大、导热系数低、模板薄、性价比高，当然工程上还要考虑模板刚度，也不能太薄。

光靠模板本身保温隔热不足以保障蓄热时，则会考虑暖棚（图 4），这时的模板导热系数越大就越好了。

从图 4 能看出什么问题？热蒸汽外溢，密封不严，下面吸风上面漏风，造成湿度和温度的损失。这里特别有必要了解下烟囱效应。烟囱使用中内腔的温度高于周围温度，烟囱内腔的高温气体密度小，周围环境的低温空气密度大，形成压力差，产生抽力，所以烟囱中的热气流不断上浮。

图4 预制构件的加热加湿养护

流体力学中的伯努利方程描述一维理想气体的机械能守恒方程，空气和暖棚中的热蒸汽可看做是理想流体、不可压缩流体，质量力为重力，流动参数不随时间变化为定常流动并且是沿流线的一维流动，所以符合伯努利方程的应用条件。

首先取底部 1-1 截面和顶部 2-2 截面作为研究对象分析，蒸汽从底部流向顶部的伯努利方程为：

其中，V1和 V2为棚内蒸汽速度，z1和 z2为两截面高度，P1和 P2为两截面处蒸汽的压强，ρ蒸为蒸汽密度。

接着研究暖棚外空气，可看做静止，V=0，列出伯努利方程：

图5 暖棚的烟筒效应示意图

由（2）式减去（1）式得：

方程左侧为两截面处的压强差的差值即为暖棚对空气的吸力，在烟筒效应中成为抽力。

暖棚布把棚内外的气体隔离了。暖棚外面的气体是冷空气，棚里面的气体是经过加热的蒸汽，温度要高得多。温度越高，密度越小。由于热蒸汽密度小，要上浮，所以外面的空气只能从暖棚下边进入，这样空气就从底下被吸入了暖棚。所谓烟筒效应的抽力，就是指进风口内外的压差。显然，烟筒越长，压差越大。

烟囱效应是暖棚内外温差形成的热压及室外风压共同作用的结果，通常以前者为主，而热压值与室内外温差产生的空气密度差及进出风口的高度差成正比。这说明，室内温度越是高于室外温度，暖棚出风口越高，烟囱效应也越明显。换句话说，棚内温度越高、漏风口越高，热损失越大。所以，暖棚的密封至关重要。